بررسی تأثیر ماسرال ها در نفوذپذیری زغال سنگ های معادن پروده و طزره

نوع مقاله: مقاله علمی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک دانشگاه صنعتی شاهرود، ایران

2 دکتری اکتشاف معدن، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک دانشگاه صنعتی شاهرود، ایران

3 دانشجوی دکتری استخراج معدن، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک دانشگاه صنعتی شاهرود، ایران

چکیده

در دهه­ های اخیر موضوع انتشار گاز در معادن زیرزمینی زغال­سنگ در بسیاری از کشورها موضوع بسیار مهمی است. عوامل متعددی در انتشار گاز موجود در لایه­های زغال­سنگ تأثیر دارند. از جمله این عوامل می­توان به ساختار فیزیکی و زمین­شناسی زغال­سنگ اشاره کرد. هم­چنین ترکیبات مینرالوژیکی زغال بر نفوذپذیری آن­ برای انواع مختلف گازها مؤثر است. در این تحقیق به بررسی ارتباط بین ترکیبات ماسرال زغال و نفوذپذیری آن در رسوبات زغال­سنگ­دار منطقه طزره و پروده پرداخته شده است. بر این اساس مطالعه آزمایشگاهی بر روی نمونه­های برداشت‌ شده جهت بررسی رابطه بین ترکیب و نفوذپذیری زغال­سنگ انجام شد. بر روی نمونه­های زغال­سنگ، آزمون نفوذپذیری با دستگاه MFORR انجام شد. با آنالیز میکروسکوپی، میزان ماسرال­های اصلی محتوی زغال از جمله ویترینایت و اینرتینایت تعیین شدند. بر این اساس بسیاری از زغال­سنگ­های منطقه پروده و طزره، پیریت را به‌عنوان ماده معدنی غالب دربرداشتند. زغال­سنگ منطقه پروده در حوضه طبس دارای درصد متوسط ویترینایت برابر %34/81  و اینرتینایت برابر %52/10 و زغال­سنگ منطقه طزره در حوضه البرز شرقی دارای درصد متوسط %31/69 ویترینایت و %47/22 اینرتینایت هستند. هم­چنین میزان ماده معدنی پیریت در نمونه­های زغالی پروده طبس %38/2 و در نمونه­های زغالی طزره در حوضه زغالی البرز شرقی %62/2 است. آزمون نفوذپذیری حاکی از آن است که با افزایش محتوای ویترینایت، نفوذپذیری زغال­سنگ افزایش می­یابد هم­چنین با افزایش مواد معدنی و کربنات محتوی، نفوذپذیری کاهش می­یابد، لذا نفوذپذیری نمونه­ های زغال­سنگ حوضه طبس بیش­تر از حوضه البرز شرقی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the effect of macerals on coal permeability in Tazareh and Parvadeh mines

نویسندگان [English]

  • Farhang Sereshki 1
  • Ahmad Vaezian 2
  • Amir Saffari 3
1 Faculty of Mining Engineering, Petroleum and Geophysics, Shahrood University of Technology
2 Faculty of Mining Engineering, Petroleum and Geophysics, Shahrood University of Technology
3 Faculty of Mining Engineering, Petroleum and Geophysics, Shahrood University of Technology
چکیده [English]

In recent decades, the subject of gas emission in underground coal mines in many countries is an important subject. Many factors affect in gas emissions in coal seams. Geological and physical structures of coal are affecting on gas emissions'. Also, composition and mineralization of coal, affect in coal permeability for different gases. In this study, the relationship between maceral composition and coal permeability in Tazareh and Parvadeh mines has been studied. Accordingly, a laboratory studies to investigate the relationship between coal composition and coal permeability was done. In coal samples, with MFORR equipment the permeability test was done. With microscopic analysis, the maceral contents of coal such as Inertinite and Vitrinite have been measured. Accordingly, many coal samples of Parvadeh and Tazareh coal mines have the pyrite as the dominant mineral matter. Parvadeh coal samples has the average percentage of Vitrinite equal 81.34% and 10.52% Inertinite. Also, in the Tazareh coal samples in Eastern Alborz coal mines, the average percentage of Vitrinite is 69.31% and inertinite is 22.47%. The average percentage of Pyrite content in Parvadeh coal samples in Tabas coal mines is 2.38% and in the Tazareh coal samples in Eastern Alborz coal mines is 2.62%.  The permeability test results have been shown, which, with increase of Inertinite contents, the permeability of coal is increasing. Also, test results have been shown, there was a reduction in the coal permeability with increasing of mineral contents and carbonate contents of the coal. So, the coal permeability in Tabas coal samples is more than Eastern Alborz coal samples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Maceral
  • Permeability
  • Inertinite
  • Vitrinite
  • Parvadeh Coal Mine
  • Tazareh Coal Mine

مقدمه

زغال‏سنگ، سنگی است مرطوب که از نظر وزنی پنجاه درصد و از نظر حجمی هفتاد درصد آن از مواد کربنی تشکیل شده است (Rice 1993). این سنگ از پیت[1]، یعنی تجمع رسوبات آلی منشأ گرفته از گیاهان، در طی تدفین و سپری کردن مراحلی به نام مراحل زغالی‏شدن[2] تشکیل می‏شود. زغالی‏شدن با نرخ‏ها و در محیط‏های مختلف رخ می‏دهد. آغازکننده مرحله زغالی‏شدن، تجزیه بیوشیمیایی مواد آلی است (Hessley et al. 1986). با افزایش عمق تدفین، دما و فشار زیاد شده و باعث ادامه تغییرات فیزیکوشیمیایی در زغال می‏شود و درنهایت، زغال با درجات بلوغ مختلف را به وجود می‏آورد که عبارت‌اند از: لیگنیت[3] (زغال قهوه‏ای)، ساب بیتومینه[4] (زغال نیمه‏قیری)، بیتومینه[5] (زغال قیری) و درنهایت آنتراسیت[6]. این تغییرات با زمان زمین‏شناسی نیز در ارتباط است (Rice 1993; Dalla Torre et al. 1997).

زغال‏سنگ‏های نام‌برده شده از اجزای آلی زیر میکروسکوپی به نام ماسرال[7] تشکیل شده است. ماسرال‏ها بخش با ارزش تشکیل‏دهنده زغال هستند که شامل سه گروه لیپتینایت[8]، اینرتینایت [9]و ویترینایت[10] هستند. خواص زغال‏سنگ از جمله کک شوندگی و نفوذپذیری تابعی از نوع و میزان ماسرال‏های تشکیل‏دهنده زغال‏سنگ است (Cui & Busten 2006). هدف از این مطالعه، شناسایی و بررسی ماسرال‏های تشکیل‏دهنده زغال‏سنگ ناحیه پروده (حوضه طبس) و ناحیه طزره (حوضه البرز شرقی) جهت تأثیر آن‏ها در نفوذپذیری و انتشار گاز موجود در لایه‏های زغال‏سنگ است.

موقعیت جغرافیایی مناطق مورد مطالعه

مجموعه مناطق مورد مطالعه در این تحقیق شامل معدن زغال‌سنگ پروده و معدن زغال‏سنگ طزره است.

ناحیه‌ زغالی حوضه طبس با وسعتی در حدود 1200 کیلومتر مربع در 75 کیلومتری جنوب شهرستان طبس قرار گرفته است. منطقه پروده یکی از مناطق حوضه زغال‏دار طبس است که در قسمت شرقی ایران مرکزی، جنوب غربی استان خراسان، حاشیه شمال غربی کویر لوت و در جنوب شرق شهرستان طبس واقع شده است. مناسب‏ترین راه دسترسی به برش پروده، جاده طبس- یزد است. پس از طی حدود 30 کیلومتر، در سمت راست، جاده فرعی به طول 60 کیلومتر دیده می‏شود که جاده اختصاصی معادن زغال‏سنگ است. راه‏های دیگری نیز از مسیر روستاهای پروده و کریت وجود دارد که کوتاه‏تر از مسیر معرفی شده هستند اما به علت خاکی و نامناسب بودن استفاده از آن‏ها توصیه نمی‏شود (شکل1-الف).

حوضه زغالی البرز شرقی در رشته کوه‏های البرز واقع شده است. ارتفاع این منطقه از سطح دریا حدود 2000 تا 2800 متر متغیر است. آب و هوای منطقه کوهستانی با زمستان‏های سرد و تابستان‏های ملایم و معتدل است. این حوضه شامل دو منطقه عمده زغالی طزره (که دربرگیرنده معادن پشکلات، کلاریز، رزمجا و ممدویه است) و منطقه قشلاق و اولنگ (که دربرگیرنده معادن متعددی از جمله رضی، ملچ‏آرام، جوزچال، کشکک و غیره است) است. منطقه طزره با وسعت 34 کیلومترمربع بخشی از دامنه جنوبی رشته کوه البرز را تشکیل می‌دهد که در فاصله 70 کیلومتری شمال‌ غرب شاهرود و در حد فاصل جاده اصلی شاهرود - تهران واقع شده است (شکل1-ب).

 

 

 (الف)

 

(ب)

شکل 1- موقعیت جغرافیایی و راه‏های دسترسی به الف) برش چینه‏شناسی ناحیه پروده (آقا نباتی و حقی‏پور 1978) ب) برش چینه‏شناسی ناحیه طزره که در آن گسترش سازند شمشک در البرز مرکزی و شرقی مشخص شده است (Fursich et al. 2005 [Modified]).

 

 

زمین‏شناسی و چینه‌شناسی معدن زغال‌سنگ پروده

حوضه زغال‏دار ایران در دو ناحیه ساختاری عمده، یعنی البرز و ایران مرکزی گسترش دارد. نمونه‏های مورد مطالعه در منطقه پروده از معدن اصلی پروده انتخاب شدند. این معدن دربردارنده 20 لایه زغال‏دار است که از میان آن‏ها 5 لایه اصلی D، C2، C1، B2 و B1دارای ضخامت قابل کار بوده و معدن‏کاری می‏شوند (Bragin et al. 1981). توالی زغال‏سنگ‏دار معدن پروده شامل سازند نای‏بند است.

ضخامت سازند نای‏بند در برش چینه‌شناسی پروده 1410 متر اندازه‌گیری شد. سازند نای‏بند در این برش از نظر سنگ‌شناسی یکنواخت بوده و در مقایسه با برش الگو از اختلاف سنگ‌شناسی کمتری برخوردار است. همین امر شناسایی و تفکیک بخش‌های برش الگو را مشکل ساخته است. از سوی دیگر مرز میان دولومیت‏های تریاس میانی (سازند شتری) و قاعده سازند نای‏بند دیده نمی‌شود. این مسأله به نوبه خود هم ارزی برش‌های پروده و نای‏بند را دشوارتر ساخته و سبب گردیده تا در مورد آن نظر کارشناسان شرکت ملی فولاد ایران با نظر کارشناسان سازمان زمین‌شناسی کشور به کلی متفاوت است. کارشناسان روس شرکت فولاد معتقدند که پاره سازند حوض‏خان در ناحیه پروده وجود دارد و نهشته‌های موجود در زیر رخساره سیلتی حوض‏خان را با دو واحد حوض شیخ و بیدستان قابل‌مقایسه دانسته‌اند و وجود بخش گلکن را محرز نمی‏دانند (آقانباتی 1388). با توجه به بازدیدهای صحرایی نگارنده از نواحی پروده و نای‏بند، به نظر می‌رسد بخش عمده‌ای از پاره سازند گلکن در منطقه پروده بر اثر فعالیت‌های گسل رستم وجود ندارد و به طور کلی با توجه به یکسانی رخساره‌ها، تقسیم‌بندی چهارگانه برونیمن و همکاران در منطقه پروده چندان کاربردی نیست. زون زغال‏دار اصلی متعلق به بخش قدیر سازند نای‏بند است (شیبانی صفت و زارع مطلق 1391).

ضخامت زون زغال اصلی حدود 100 متر است و شامل ماسه‌سنگ، سنگ آهک، سیلت، شیل و زغال است (شکل 2). لایه‏های این زون دارای امتداد جنوب شرقی- شمال غربی و شیب جنوب غربی هستند و لایه‏های زغال‏دار حدود 5/6 کیلومتر رخنمون دارند. لایه‏های زغالی اکثراً دارای شیب کم (9-7 درجه) هستند، اما لایه‏ها در حوالی بیرون‏زدگی‏ها، حاشیه گسل‏ها و رخنمون‏ها پرشیب بوده و شیبی حدود 25-20 درجه دارند. لایه  C1مهم‏ترین لایه قابل کار منطقه پروده است و 50 درصد کل ذخیره بالانس را شامل می‏شود. حداقل ضخامت لایه C1، 2/0 متر و حداکثر آن 95/3 متر است و از نظر خواص شیمیایی و مشخصات تکنولوژیکی قابلیت پخت، دارای زغال مناسب است (شیبانی صفت و زارع مطلق 1391).

 

 

 

 

شکل 2- ستون چینه‏شناسی بخش بالایی سازند نای‏بند در حوضه طبس و انتشار لایه‏های زغالی در معدن پروده (رضوی ارمغانی و معین السادات 1372)

 

زمین‏شناسی و چینه‌شناسی منطقه زغال‌سنگ طزره

رسوبات زغال‏دار ایران در حوضه البرز به نام سازند شمشک معروف است. سازند شمشک به سن تریاس بالایی- ژوراسیک زیرین با بیش از 4000 متر ضخامت متشکل از سنگ‏های رسوبی تخریبی در بخش‏های وسیعی از زون البرز رخنمون دارد و حاوی لایه‏های زغالی متعددی است. حوضه زغالی البرز شرقی در رشته کوه‏های البرز واقع شده است و شامل کلیه رسوبات زغال‏داری است که در محدوده بین جاده فیروزکوه و جاده بجنورد- اسفراین قرار دارد. از مناطق زغال‏دار این منطقه می‏توان به منطقه پشکلات در قسمت مرکزی معدن طزره اشاره کرد. این منطقه با 18 لایه زغالی قابل استخراج و ذخیره 945/20 میلیون تن یکی از بهترین منطقه‏های واحد شاهرود است (محمودی و همکاران 1389).

 زغال‏خیزی منطقه پشکلات از شمال به آهک‏های لار و رسوبات بخش زغالی دانسریت محدود می‏شود. در این منطقه کمربالای اصلی لایه در بیش‏تر نقاط از ماسه‏سنگ، سیلتستون، شیل و زغال و کمرپایین اصلی از ماسه‏سنگ و سیلتستون تشکیل شده است (محمودی و همکاران 1389). شکل (3) لایه‏های زغالی مورد مطالعه مربوط به بخش کلاریز و پشکلات از منطقه زغالی طزره را نشان می‏دهد (رضوی ارمغانی و معین‏السادات 1372). برش تیپ بخش کلاریز در منطقه زغال‌سنگ دار طزره قرار گرفته و در آن آثار و بقایای گیاهی فراوان است. بخش پشکلات با لایه‌های زغالی گسترده بیش‏تر از سیلت و آرژیلیت و کمتر از ماسه‌سنگ تشکیل شده است.

 

 

 

 

شکل 3- ستون چینه‏شناسی بخش بالایی سازند شمشک در حوضه البرز شرقی و انتشار لایه‏های زغالی در معدن طزره (رضوی ارمغانی و معین‏السادات 1372)

 

نتایج آزمایش‏های پتروگرافی

ترکیبات ماسرالی هر یک از نمونه‏ها طبق استاندارد AS2856.2-1998 تعیین شدند. این نمونه‏ها از دو منطقه پروده و طزره جمع‏آوری شدند. جدول 1 محتوای 10 نمونه آزمایش شده منطقه پروده (حوضه طبس) و 10 نمونه آزمایش شده منطقه طزره (حوضه البرز شرقی) را نشان می‏دهد. در این جدول میزان پیریت و کربنات به دلیل نقشی که در رفتار جذب زغال‏سنگ ایفا می‏کنند آورده شده‏اند. میانگین درصد مقادیر پیریت و کربنات منطقه پروده کمتر از منطقه طزره است. همچنین یک ستون هم به میزان شکستگی‏ها اختصاص داده شده است که نقش مهمی در جذب زغال‏سنگ دارند و درصد مقادیر شکستگی در منطقه پروده بیشتر از منطقه طزره است. همان‏طور که از این جدول مشاهده می‏شود، نمونه‏های زغال‏سنگ پروده و طزره غنی از ویترینایت است. میانگین تعداد نقاط ویترینایت منطقه پروده (%34/81) از کل است و میانگین تعداد نقاط ویترینایت منطقه طزره (%31/69) است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود ترکیبات ماسرالی زغال دو معدن به هم نزدیک بوده و می‌توان دریافت که پوشش گیاهی ابتدایی منتج به زغال در هر دو حوضه تقریباً یکسان بوده است. شکل‏های 4 و 5 محتوای نمونه‏های زغال‏سنگ منطقه‏های پروده و طزره را نشان می‏دهند. شکل 6 میزان متوسط فراوانی ترکیبات نمونه زغال‏سنگ را در دو منطقه پروده و طزره نشان می‏دهد.

 

 

جدول 1- نتایج حاصل از آزمایش‏های ماسرالی نمونه‏ها

شماره نمونه

ویترینایت (%)

اینرتینایت(%)

پیریت (%)

کربنات (%)

شکستگی‏ها (%)

جمع (%)

منطقه پروده (حوضه طبس)

1

1/82

4/7

5/3

3/2

7/4

100

2

9/78

7/11

8/2

2/2

4/4

100

3

6/75

16

9/2

2/2

3/3

100

4

4/79

8/10

7/2

8/2

3/4

100

5

8/79

2/10

2/2

3

8/4

100

6

3/81

11

6/2

1/2

3

100

7

4/83

2/11

4/2

4/1

6/1

100

8

8/82

4/9

7/1

2/3

9/2

100

9

8/85

5/8

4/1

1/3

2/1

100

10

8/85

9

6/1

5/2

6/2

100

میانگین

34/81

52/10

38/2

48/2

28/3

100

منطقه طزره (حوضه البرز شرقی)

1

4/72

18

8/2

2/3

6/3

100

2

2/72

19

6/2

3

2/3

100

3

76

13

3/2

7/5

3

100

4

7/70

9/21

3/2

2

1/3

100

5

5/65

3/28

2/2

1/1

9/2

100

6

8/67

7/24

3

5/1

3

100

7

70

1/23

8/2

1

1/3

100

8

2/72

3/20

5/2

2

3

100

9

5/66

2/24

2/3

9/2

2/3

100

10

8/59

2/32

5/2

5/2

3

100

میانگین

31/69

47/22

62/2

49/2

11/3

100

 

 

الف: ویترینایت در زمینه همراه با اینرتینایت

 

 

الف: ویترینایت

مقیاس: طول عکس (بعد بزرگ‏تر) برابر 0.54 میلی‏متر

 

مقیاس: طول عکس (بعد بزرگ‏تر) برابر 0.54 میلی‏متر

 

ب: اینرتینایت

 

 

ب: ویترینایت همراه با ذرات پیریت

 

مقیاس: طول عکس (بعد بزرگ‏تر) برابر 0.54 میلی‏متر

مقیاس: طول عکس (بعد بزرگ‏تر) برابر 0.54 میلی‏متر

شکل 5- ماسرال‏ها و مواد معدنی موجود در یک نمونه زغال‏سنگ طزره

 

شکل 4- ماسرال‏ها و مواد معدنی موجود در یک نمونه زغال‏سنگ پروده

 

 

شکل 6- هیستوگرام فراوانی مقدار متوسط ترکیبات نمونه‏های زغال‏سنگ در دو منطقه پروده(حوضه طبس) و طزره(حوضه البرزشرقی)

 

 

نفوذپذیری زغال‏سنگ

همزمان با تشکیل زغال‌سنگ مواد فرار مختلفی تولید می‌شوند. در مراحل اولیه تشکیل، تولید آب شروع می‌شود. در ادامه روند زغالی شدن (Coalification) با کاهش تولید آب، دی اکسید کربن تولید شده و در مراحل پایانی گاز متان در زمان تشکیل زغال ظاهر می‌شود. گاز متان گازی است اشتعال‏زا که از لایه‏های زغال متصاعد می‏شود و تمرکز اصلی آن در کارگاه‌های استخراج و جبهه‏کارهای پیشروی است. با عمیق‏تر شدن لایه‏ها میزان متان به ویژه در حین عملیات معدن‏کاری مشکلات عدیده‌ای را سبب می‌شود. گاززدایی متان از لایه‏های زغال‏سنگ مهم‏ترین و جدیدترین روش عملی برای مقابله با خطر انفجار ناشی از حضور گاز متان است. از طرفی به دلیل روند رو به رشد و افزایش نیاز کشور به انرژی و اهمیت یافتن منابع جایگزین برای نفت و گاز متعارف، ضروری است که به امکان‌سنجی و اولویت‌بندی استحصال این منبع بالقوه انرژی در کشور پرداخته شود. تحقیق و اولویت‌بندی مناطق مستعد گاززدایی، برای استفاده از این فناوری نوین در حوضه‌های زغالی کشور، موضوع جدیدی بوده که در ابتدا باید یکی از اصلی‌ترین پارامترهای زغال که نفوذپذیری آن نسبت به گازهای مختلف است را به درستی شناخت.

 سهولت عبور جریان سیال از داخل حفره‌های سنگ‏ها (زغال‌سنگ) را نفوذپذیری می‏نامند. مقدار نفوذپذیری به اندازه حفره‌ها، ویسکوزیته سیال و نیروی کششی که با کاهش اندازه دانه‌ها کم می‏شود، بستگی دارد. در واقع عواملی که بر تخلخل اولیه مؤثرند، در میزان نفوذپذیری نیز مؤثر هستند. نفوذپذیری را معمولاً با واحد دارسی بیان می‌کنند. یک دارسی عبارت است از نفوذپذیری که در آن یک مایع با غلظت یک سانتی‏متر در ثانیه تحت فشار یک اتمسفر بر سانتی‏متر عبور کند. کمترین میزان تراوایی لازم برای عمل گاززدایی لایه‌های زغال 5 میلی دارسی است (Robert 2002).

 

آزمایش نفوذپذیری

نمونه‏های مورد مطالعه در این تحقیق از مناطق پروده و طزره که شامل مجموعاً 20 نمونه که تعداد 10 نمونه از منطقه پروده و 10 نمونه از منطقه طزره است جمع‌آوری و مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‏های جمع‌آوری شده از مناطق بکر و دست‌نخورده جمع‌آوری شدند و با قرار دادن نمونه‏ها در بسته‏های پلاستیکی از قرار گرفتن آن‏ها در معرض هوا جلوگیری شده است. همچنین نمونه‏های تهیه‌شده در آزمایشگاه برای جلوگیری از اکسیداسیون در داخل آب قرار داده شدند. برای انجام تست‏های آزمایشگاهی هر نمونه توسط رزین پلی‌استری پوشیده شدند.

 

شرح دستگاه و روش آزمایش

روش‏های مختلفی برای تعیین نفوذپذیری زغال‏سنگ وجود دارد. در این تحقیق، آزمایش نفوذپذیری به وسیله دستگاه MFORR[11] انجام شد. مؤلفه‏های تشکیل‏دهنده دستگاه شامل محفظه فشار، جریان‌سنج و نیروسنج است. مراحل انجام آزمایش شامل قرار گرفتن نمونه داخل محفظه فشار، اجازه ورود گاز به داخل محفظه و خروج آن از سوراخ میانی تعبیه ‌شده بر روی نمونه زغال است (Zhang et al. 2012).

در طی این مراحل میزان گاز خروجی از منفذ مزبور به وسیله جریان‌سنج اندازه‏گیری می‏شود. لازم به ذکر است در حین این آزمایش بارهای تک‌محوره بر روی نمونه‏ها اعمال می‏شود (Zhang et al. 2012). شکل 7 اجزای دستگاه اندازه‏گیری نفوذپذیری MFORR را نشان می‏دهد.

اجزای MFORR با توجه به نوع آزمون قابل تعویض است. تمام اجزای این دستگاه در یک قاب اصلی شامل یک ساختار فولادی محکم است که محفظه فشار و یک اتصال‏دهنده محوری در آن قرار دارد. محفظه فشار گاز یک منشور مستطیل توخالی است (Lingard et al. 1984).

برای انجام آزمون نفوذپذیری از نمونه‏هایی با قطر 50 میلی‏متر استفاده شد که این نمونه‏ها بین صفحات بارگذاری قرار گرفتند. بار محوری از طریق یک دستگاه گشتاور به نمونه‏های زغال‏سنگ اعمال شد. تغییرات در ابعاد محوری و جانبی نمونه‏ها با توجه به میزان جذب گاز به وسیله فشارسنج مورد بررسی قرار گرفتند.

در این روش ابتدا نمونه در محفظه فشار نصب می‏شود. پس از این‌که محفظه مهروموم شد، هوای داخل محفظه از طریق سیستم تخلیه خارج می‏شود، سپس به جریان گاز از طریق یک سوراخ مرکزی اجازه داده می‏شود که در زغال‌سنگ نفوذ کند. جریان گاز آزاد شده از زغال‏سنگ، به وسیله یک سیستم اندازه‏گیری متشکل از یک حس‌گر فشار خلأ و جریان‏سنج اندازه‏گیری می‏شود.

 

 

 

 

شکل 7- اجزای دستگاه MFORR(Koenig and Schraufnagel 1987)

 

 

نتایج آزمایش‏ نفوذپذیری

در پدیده‏هایی همچون انفجار گاز و گاززدایی، نفوذپذیری نقش بسیار مهمی در تخمین فشار، توزیع تنش‏های کششی و میزان گازخیزی دارد. نفوذپذیری یکی از خواص مواد است که به صورت جریان سیال در نتیجه گرادیان فشار وارد بر جسم در امتداد سطح آن تعریف می‏شود. نفوذپذیری به طور معمول به توانایی لایه زغالی در انتقال گاز تحت تأثیر فشار آن اطلاق می‏شود (Lama et al. 1996). زغال‌سنگ به طور طبیعی دارای ناپیوستگی‏هایی است که این ناپیوستگی‏ها تأثیر زیادی بر نفوذپذیری آن دارد. از طرفی تنش‏های موجود در منطقه نیز، مؤثرترین فاکتور بر نفوذپذیری زغال‏سنگ به شمار می‏آید. همچنین با افزایش عمر زغال‌سنگ، ریز درزه و کلیت‌های آن‌ها تحت تأثیر تنش‏های موجود بازتر شده نتیجتاً نفوذپذیری افزایش می‌یابد که با توجه به سن بالای زغال‌سنگ‌های ویترینایت دار که بیشتر تحت تنش قرار گرفته‏اند نفوذپذیری آن‌ها نیز بیشتر است. انتشار گاز در زغال‌سنگ‌های با نفوذپذیری بالاتر، نرخ رهایش بالاتری دارد (Gamson and Beamish 1992).

برای بررسی نفوذپذیری نمونه‏های زغالی این دو منطقه، نفوذپذیری نمونه‏ها تحت بارگذاری تک‌محوره ثابت طبق جدول‏های 2 و 3 مورد بررسی قرار گرفت.

 

 

 

 

جدول 2- نفوذپذیری (دارسی) نمونه‏های زغال‏سنگ پروده برای گاز زغال (متان) تحت بارگذاری محوری ثابت

3.0

2.0

1.0

0.5

فشار گاز (مگا پاسکال)

4.97E-05

5.93E-05

1.03E-04

1.24E-04

نمونه 1

4.91E-05

6.09E-05

1.03E-04

1.25E-04

نمونه 2

4.88E-05

6.24E-05

1.03E-04

1.26E-04

نمونه 3

4.26E-05

3.05E-04

8.99E-05

1.26E-04

نمونه 4

3.62E-05

5.54E-04

7.68E-05

1.27E-04

نمونه 5

3.72E-05

1.79E-04

9.64E-05

1.25E-04

نمونه 6

3.17E-05

5.38E-05

1.03E-04

1.23E-04

نمونه 7

4.22E-05

3.09E-04

8.99E-05

1.25E-04

نمونه 8

4.82E-05

6.42E-05

1.03E-04

1.26E-04

نمونه 9

4.52E-05

1.87E-04

9.65E-05

1.25E-04

نمونه 10

4.310E-05

1.835E-04

9.650E-05

1.252E-04

میانگین

 

جدول 3- نفوذپذیری نمونه‏های زغال‏سنگ طزره برای گاز زغال (متان) تحت بارگذاری محوری ثابت

3.0

2.0

1.0

0.5

فشار گاز (مگا پاسکال)

4.83E-05

1.89E-04

1.01E-04

1.27E-04

نمونه 1

4.83E-05

6.45E-05

9.25E-05

1.26E-04

نمونه 2

4.79E-05

1.89E-04

9.61E-05

1.25E-04

نمونه 3

3.06E-05

5.35E-05

1.02E-04

1.23E-04

نمونه 4

3.27E-05

3.07E-04

8.98E-05

1.27E-04

نمونه 5

3.45E-05

6.15E-05

1.01E-04

1.21E-04

نمونه 6

4.28E-05

5.98E-05

8.21E-05

1.15E-04

نمونه 7

4.11E-05

6.13E-05

1.01E-04

1.20E-04

نمونه 8

4.12E-05

5.44E-05

9.65E-05

9.65E-05

نمونه 9

3.70E-05

5.65E-05

8.81E-05

1.10E-04

نمونه 10

4.040E-05

1.097E-04

9.500E-05

1.191E-04

میانگین

 

 

طبق نتایج به‌دست‌ آمده مندرج در جداول بالا مشاهده می‏شود که در فشارهای مختلف گاز در محفظه فشار، نفوذپذیری نمونه زغال‏سنگ‏های پروده از نفوذپذیری نمونه زغال‏سنگ‏های طزره بیشتر است؛ که با توجه به نتایج پتروگرافی، نمونه زغال‏سنگ‏های پروده دارای پیریت و اینرتینایت کم‏تر و ویترینایت بیشتری نسبت به نمونه زغال‏سنگ‏های طزره هستند. همچنین میزان حفره‏ها و شکستگی‏ها در نمونه‏های زغال‏سنگ طزره کم‏تر از نمونه‏های پروده است؛ لذا با توجه به وجود ویترینایت و شکستگی‏های بیشتر در نمونه‏های زغال‏سنگ پروده میزان نفوذپذیری زغال‏سنگ‏های پروده بیشتر از زغال سنگ‏های طزره است.

 

نتیجه

انتشار گاز زغال‏سنگ پدیده‏ای است که به‌تدریج با افزایش عمق معادن استخراجی افزایش‌یافته است؛ لذا برنامه‏ریزی مؤثر در سیستم‏های گاززدایی زغال می‏تواند انتشار گاز زغال‏سنگ را کنترل نماید. بررسی نفوذپذیری زغال‏سنگ در برنامه‏ریزی یک سیستم گاززدایی یکی از مؤثرترین پارامترها است. ترکیب زغال‏سنگ یکی از عواملی است که نقش به سزایی در نفوذپذیری زغال‏سنگ دارد؛ بنابراین در این تحقیق، یک مطالعه آزمایشگاهی مبنی بر بررسی تأثیر ترکیب زغال‏سنگ در نفوذپذیری زغال‏سنگ انجام شد. طبق نتایج به‌دست ‌آمده از این مطالعه و آزمون سنگ‌شناسی، نفوذپذیری زغال‏سنگ با افزایش ویترینایت افزایش می‏یابد، همچنین با افزایش مواد معدنی از قبیل پیریت و کربنات‏ها نفوذپذیری زغال‏سنگ کاهش می‏یابد زیرا حفره‏ها و درزه و شکاف‏ها با مواد معدنی پر می‏شود. طبق نتایج به‌دست‌آمده در این مقاله میزان ویترینایت در نمونه‏های زغال منطقه پروده بیش‏تر از منطقه طزره است، همچنین میزان ماده معدنی پیریت در نمونه‏های منطقه طزره بیش‏تر از منطقه پروده است؛ لذا نفوذپذیری نمونه‏های زغال‏سنگ منطقه پروده بیش‏تر از منطقه طزره است. از طرفی با توجه به نمودارهای نفوذپذیری، میزان نفوذپذیری زغال‏سنگ با افزایش تنش اعمال‌شده و فشار گاز، صرف‌نظر از نوع گاز کاهش می‏یابد.

 



[1] Peat

[2] Coalification

[3] Lignite

[4] Sub- Bituminous

[5] Bituminous

[6] Antracite

[7] Maceral

[8] Liptinite

[9] Inertinite

[10] Vitrinite

[11] Multi Function Outburst Research Rig

آقا نباتی، س. ع. و ع. حقی‏پور، 1978، نقشه زمین‏شناسی 1:2500000 طبس، نقشه شماره 17: سازمان زمین‏شناسی و اکتشافات معدنی کشور.

آقا نباتی، ع.، 1388، فرهنگ چینه شناسی ایران، جلد دوم: انتشارات سازمان زمین‏شناسی و اکتشافات معدنی کشور.

رضوی ارمغانی، م. ب. و ح. معین السادات، 1372، زغال سنگ: انتشارات سازمان زمین‏شناسی کشور

شیبانی صفت، م. و س. زارع مطلق، 1391، بررسی وضعیت طراحی و بازیابی لنگه‏های زغالی در روش استخراج اتاق و پایه معدن مرکزی پرورده طبس: اولین کنگره ملی زغال‏سنگ، دانشگاه صنعتی شاهرود، ص 9-1.

محمودی، خ.، س. ض.، شفایی، م. کارآموزیان، و م. ضیایی، 1389، طبقه‏بندی زغال‏سنگ‏های البرز شرقی بر اساس ماسرال‏های موجود توسط روش آنالیز تصویری: چهاردهمین همایش انجمن زمین‏شناسی ایران، دانشگاه ارومیه، ص.6-1

Bragin. N., S.A. Golubev, and B.V. Polianski, 1981, Paleogeography of main stage of Lower Mesozoic coal measures accumulations in Iran: Litol. Polens.Iskop, v. 1, p. 69-80.

Cui, X. and R. Busten, 2006, Controls of coal fabric on coalbed gas production and compositional shift in both field production and canister desorption tests:SPE Journal, v. 11, p. 111-119.

Dalla Torre, M., R.F. Mahlmann, and W.G. Ernst, 1997, Experimental study on the pressure dependence of vitrinite maturation: Geochimica Cosmochimica Acta, v. 11, p. 2921–2928.

Fursich, F. T., M. Wilmsen, K. Seyed-Emami, F. Cecca, and M. R. Majidifard, 2005, The upper Shemshak Formation (Toarcian–Aalenian) of the Eastern Alborz (Iran): Biota and palaeoenvironments during a transgressive–regressive cycle: Facies, v. 51, p. 365-384.

Gamson, P. D. and B. B. Beamish, 1992, Coal type, microstructure and gas flow behaviour of Bowen Basin coals: Symposium on Coalbed Methane Research and Development in Australia, Coalseam Gas Research Institute – James Cook University, Townsville, 19-21 November, v. 4, p 43-64.

Hessley, R.K., J.W. Reasonerand, and J.T. Riley, 1986, Coal Science: John Wiley and Sons, New York, 269 P.

Koenig, R. A. and R. A. Schraufnagel, 1987, Application of the slug test in coalbed methane testing: International coalbed methane symposium, University of Alabama, Alabama, USA, p. 16-19.

Lama, R. D. and J. Bodziony, 1996, Outburst of Gas, Coal and Rock in Underground Coal Mines: Westonprint Pub., Kiama, NSW, Austrailia, 499 P.

Lingard, P. S., H. R. Phillips, and I. D. Doig, 1984, Laboratory studies of the sorption characteristics and permeability of triaxially stressed coal samples: Proceeding 3rd Int, congress on mine ventilation, Harrogate, p. 143-150.

Rice, D.D., 1993, Composition and origins of coalbed gas, chapter 7 of book: Hydrocarbon from coal, Study in Geology, v. 38, p. 159-184.

Robert, M., 2002, "Coal bed methane (CBM) and mine methane (CMM) in North America where and why": Norwest Mine Services, (www.ipec.utulsa.edu).

Zhang, L., N. Aziz, T. Ren, J. Nemick, and Z. Wang, 2012, Permibility testing of coal under different triaxial conditions: Coal Operators Conference, University of Wollongong, Australia, p. 277-287.